Accelerometri nei telefoni cellulari, microprocessori nei computer portatili, e giroscopi che bilanciano i droni si basano ciascuno su sistemi microelettromeccanici, o MEMS in breve. All'interno di questi piccoli sistemi ci sono dispositivi ancora più piccoli, chiamati attuatori e sensori, che svolgono diverse funzioni fisiche.

Un tipo è un attuatore termico che trasforma l'energia in movimento mediante l'espansione e la contrazione dei materiali a causa delle variazioni di temperatura. Troverai attuatori termici MEMS all'interno delle unità disco dei computer, sonde di scansione, e micromotori.

Attualmente, questi attuatori termici si basano su polisilicio, un materiale che richiede alte temperature e consuma una notevole quantità di energia durante il processo di fabbricazione. Mentre lavorava alla ricerca correlata, gli investigatori del College of Engineering della Carnegie Mellon University si sono resi conto di aver trovato un sostituto efficiente.

Guidati da Maarten de Boer, professore di ingegneria meccanica, il team ha creato attuatori termici microelettromeccanici con tantalio anziché polisilicio. Ciò ha abbassato sia la temperatura di esercizio che il consumo di energia che sarebbe stato necessario per una data quantità di attuazione. I risultati sono stati pubblicati in Natura Microsistemi e nanoingegneria . Ulteriori ricerche hanno portato a un articolo aggiuntivo pubblicato su Journal of Microelectromechanical Systems.

Il tantalio è raro, metallo refrattario, spesso utilizzato nelle leghe per aumentare la resistenza e la durata. I ricercatori hanno teorizzato che gli attuatori termici al tantalio, a causa del grande coefficiente di espansione termica del metallo rispetto al substrato di silicio su cui è realizzato, richiederebbero meno della metà della potenza assorbita per la stessa forza e spostamento rispetto a quelli realizzati con il polisilicio.

Funzionando a una tensione inferiore rispetto ad altri attuatori termici, quelli al tantalio sono direttamente compatibili con i circuiti a semiconduttore di ossido di metallo complementare (CMOS). I dispositivi al tantalio potrebbero anche essere lavorati quasi a temperatura ambiente.

"In linea di principio, questo lavoro dimostra la fattibilità dell'utilizzo del tantalio non solo per fabbricare termoattuatori ma anche molti sensori da utilizzare in un'ampia gamma di nanoelettronica integrata, " disse de Boer.

Durante il processo di fabbricazione di un microprocessore, Telefono, o altro dispositivo, i produttori in genere posizionano un componente MEMS su un chip e componenti elettronici CMOS su un secondo chip.

Il team di De Boer ritiene che il tantalio come materiale strutturale MEMS possa eliminare sia la necessità di due chip separati sia il cablaggio aggiuntivo che invia segnali tra di loro. Ciò si tradurrà in dispositivi più efficienti realizzati con meno materiale, che costerà meno per la produzione e si tradurrà in prestazioni più elevate.

Sebbene altri ricercatori abbiano esplorato modi per eliminare il secondo chip, hanno scoperto che le alte temperature necessarie per fabbricare i MEMS sono un ostacolo. Il team di De Boer ha risolto questo problema.

La seconda carta, pubblicato in Journal of Microelectromechanical Systems , ha esplorato l'uso del nitruro di alluminio per mantenere una bassa temperatura durante il processo di fabbricazione dei MEMS. Ciò potrebbe aumentare la possibilità di sviluppare sia MEMS che CMOS sullo stesso chip in un approccio "MEMS-last" che potrebbe interessare sia alle fonderie che alle cosiddette aziende MEMS fabless.

"Per quanto riguarda l'integrazione CMOS, sarebbe piuttosto eccitante in quanto si presta all'uso di CMOS completi sotto i MEMS, " osservò Gary Fedder, un professore di ingegneria elettrica e informatica. "La densità del tantalio è circa sette volte maggiore del silicio, quindi sarà eccellente come massa di prova. Questo è un grosso problema in quanto un trasduttore di sensibilità simile può essere sette volte più piccolo!"

I risultati potrebbero avere un impatto futuro su una serie di settori che richiedono tecnologie di rilevamento, come l'aerospaziale, assistenza sanitaria, reti ottiche, e robotica. De Boer ei suoi studenti hanno depositato tre brevetti provvisori nelle aree di lavorazione del tantalio per MEMS.

Ulteriori autori sui documenti tecnici e sui brevetti provvisori includono Longchang Ni e Ryan Pocratsky, entrambi Ph.D. studenti del Dipartimento di Ingegneria Meccanica.